冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议.pdf

第20卷 第1期 新疆石油天然气Vol.20 No.1 2024年3月 Xinjiang Oil&GasMar.2024基金项目：国家自然科学基金面上项目“流量-转速耦合作用下液力离合导向钻井控制机理研究”（52274017）；国家自然科学基金重大项目“干热岩地热资源开采机理与方法”课题二“高温岩石动态损伤机理与高效破碎方法”（52192624）；新疆维吾尔自治区杰出青年科学基金“多元复合冲击钻井提速机理研究”（2021D01E23）。作者简介：李根生（1961-），1998年毕业于中国石油大学（北京）石油工程系油气钻井工程专业，博士，教授，中国工程院院士，长期从事我国复杂油气钻井提速研究工作。（Tel）010-89733935（E-mail）文章编号：16732677（2024）0101-12DOI：10.12388/j.issn.1673-2677.2024.01.001冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议李根生1，穆总结1，2，田守嶒1，2，黄中伟1，孙照伟1（1.油气资源与工程全国重点实验室，中国石油大学（北京），北京昌平 102249；2.油气资源与工程全国重点实验室克拉玛依分室，中国石油大学（北京）克拉玛依校区，新疆克拉玛依 834000）摘要：提高钻井速度不仅是提高我国油气效益开发及深地勘探等方面的重要技术手段，同时对保障国家能源安全意义重大。冲击破岩钻井技术在国内外油田现场应用并获得了良好的提速效果，持续开展此类技术攻关有望攻克当下我国深地高温高压硬岩地层进尺低、提速难的技术痛点。介绍和分析了轴向冲击、扭力冲击和轴-扭耦合冲击辅助钻头破岩钻进技术方面的实践及发展动态。结合冲击破岩钻井技术现状，阐明了冲击辅助钻头破岩力学原理是冲击破岩钻井提速技术的关键问题，综述了国内外研究学者在冲击辅助钻头破岩物理实验、理论模型和数值模拟等研究方法上取得的科学进展。针对冲击破岩钻井提速技术的发展提出了相关建议，即加强在材料结构优化设计、智能化控制、多元技术融合和井场应用优化等方面的研究力度，为我国能源高效开发做出贡献。关键词：钻井；提速；冲击钻井；技术现状；破岩原理；发展建议中图分类号：TE242文献标识码：AResearch Status and Development Proposal of ROP Improvement Technology with Percussion Rock-Breaking MethodLI Gensheng1，MU Zongjie1，2，TIAN Shouceng1，2，HUANG Zhongwei1，SUN Zhaowei1（1.National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Changping 102249，Beijing，China；2.Karamay Branch of National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering，Karamay Campus，China University of Petroleum（Beijing），Karamay 834000，Xinjiang，China）Abstract：Enhancing the rate of penetration（ROP）is crucial for optimizing the efficiency of oil and gas development and deep explo-ration in China and ensuring national energy security.The percussion rock-breaking drilling technology has been applied in oil fields at home and abroad，resulting in significant improvements in ROP.Further research efforts are expected to address the technical chal-lenges of low drilling footage and limited ROP enhancements encountered during deep exploration of hard rock formations with high temperature and pressure.This paper presents and analyzes the practice and development trends of the drill bit percussion rock-break-ing drilling technology assisted by axial percussion，torsional percussion，and axial-torsional coupled percussion.It illustrates that the percussion-assisted drill bit rock-breaking mechanism is the core of percussion rock-breaking ROP improvement technology.This paper also reviews the scientific advancements made by domestic and overseas research scholars in physical experiments，theoretical modeling，and numerical simulation of percussion-assisted drill bit rock-breaking.In addition，it offers relevant proposals for the de-velopment of percussion rock-breaking ROP improvement technology，i.e.advancing research on material structure optimization de-sign，intelligent control，integration of multiple technologies，and optimization of well applications.This is expected to provide valuable insights for enhancing the drilling efficiency in energy development of our country.Key words：drilling；ROP improvement；percussion drilling；technology status；rock-breaking mechanism；development proposal1新疆石油天然气2024年根据中国石油和化学工业联合会公布的数据显示1，截至2021年，我国以石油、天然气为代表的化石能源对外依存度仍维持在73%和45%的红线居高不下，我国能源战略安全压力空前。在全球能源供需版图深刻变革的大环境下，我国“十四五”规划纲要明确提出加快“两深一非”油气资源利用，推动油气增储上产能源体系的战略目标2。因此，加快国内油气资源勘探开发步伐，不仅关系到国计民生，更关系到国家能源战略安全。钻井提速是保障油气资源高效快速开发的重要技术手段。近年来，我国油气资源勘探开发逐渐向深层、低渗、非常规等复杂地层发展。高效开发深层、低渗透油气藏，向“磨刀石”里要油气，被国际石油界公认为是21世纪的重要发展方向和世界性难题，其技术水平是衡量一个国家油气开采水平的重要标志。上述油气藏普遍存在储层致密、岩石强度高，导致机械钻速低、钻头进尺少等技术难题，迫切需要安全高效快速的钻井提速新方法、新技术。同时，近年来国际油价起伏不定，提高钻井速度已成为各油田降本增效的重要技术手段。持续开展钻井提速技术研究工作，不仅对提高我国油气田效益开发以及加强深地勘探等方面具有重大意义，同时也对保障国家能源安全意义重大。高温高压、研磨性强、储层致密等地质赋存条件使安全高效钻井技术更具挑战性。在井下PDC钻头钻进过程中，动力钻具由于重力影响贴靠井壁，造成钻柱与井壁间摩阻增大，使机械钻速降低，导致钻柱在井下发生正弦或螺旋屈曲，诱发井下事故3，4；另一方面，伴随着钻遇地层埋深增加，岩石非均质性增强，抗压抗剪强度增大，可钻性变差。当PDC钻头吃入地层后不能瞬间将岩石剪切破碎，导致地面转盘提供的扭矩能量不断积聚在钻头刀翼和钻柱上，直至克服岩石抗剪强度瞬时破碎地层岩石，致使钻柱与PDC钻头扭矩的瞬间积聚和释放产生，从而产生粘滑振动，进而导致PDC钻头切屑齿发生崩齿现象，缩短钻头使用寿命，降低破岩效率；同时，持续的粘滑振动还会使钻柱产生疲劳破坏，带来井下复杂事故5，6。因此，在提高钻进作业效率和控制钻井成本的需求下，探索新型钻井提速机理的研究势在必行。钻井提速的关键在于井底钻头的高效破岩效果。近年来，各种新型的接触式破岩与非接触式破岩方法在世界范围内得到发展，包括超声波冲击破岩7、等离子体穿透破岩8，9、激光辐射破岩10，11和热力射流破岩12，13等方法。虽然这些方法在实验室中已经充分验证了其用于破岩的优越性，但它们从研究成果转化到市场化应用，以及在井场能源开采中的大规模实施，仍存在一定距离。现场钻井实践表明，冲击钻井仍然是适用于硬质地层最有效的钻井提速方法14。冲击破岩钻井提速技术是在传统旋转钻井技术基础上发展起来的钻井工艺，在提高机械钻速、节约钻井成本和缩短建井时间方面具有显著的技术优势。其技术原理建立在流体动力学理论发展的基础上，通过安装在钻头上部的振动冲击器将钻井液流压能转换为振动冲击能，使得钻头在随钻具旋转钻进的同时受到交变振动冲击载荷的作用，辅助钻头对井底岩石产生“旋转+冲击”作用，实现立体破碎效果，进而大幅提高破岩效率。通过大力开展攻关研究和推广这一技术有望攻克我国深地高温高压硬岩地层进尺低、提速难的技术痛点。本文综述了国内外冲击破岩钻井提速技术的发展动态及破岩原理发展现状，并提出了下一步的攻关方向。1 冲击辅助钻头破岩提速技术研究现状冲击辅助钻头破岩是实现钻井提速的重要技术手段之一，其目标是通过钻头对井底岩石的冲击破碎满足复杂结构井高效钻进的需求。相较于传统钻井方式，振动冲击钻井在硬质地层（如花岗岩、石灰岩、白云岩等）中具有更强的适应性，提速效果更为显著15，16。2000年，Melamed等17开展了中等硬度花岗岩振动冲击钻井和旋转钻井的机械钻速对比分析。研究结果表明，在保持相同转速和钻压实验条件下，振动冲击钻井的机械钻速是传统旋转钻井的7.3倍；即使将二者的钻进参数调整为最优组合，振动冲击钻井的机械钻速仍为旋转钻井的2.3倍。除此之外，振动冲击钻井还具备如下技术优点18：可保持相同的机械钻速，振动冲击钻井所需钻压小，井下钻柱受力减小；交变振动冲击下的钻头齿与岩石接触时间短，仅占总钻井时间的1%2%，减少钻头的磨损能耗；所钻井眼井斜角较小，在直井段作业井斜角易控制，改善井眼状况；破岩钻屑颗粒较大，利于岩屑引用：李根生，穆总结，田守嶒，等.冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议 J.新疆石油天然气，2024，20（1）：1-12.Cite：LI Gensheng，MU Zongjie，TIAN Shouceng，et al.Research status and development proposal of ROP improvement technology with per-cussion rock-breaking method J.Xinjiang Oil&Gas，2024，20（1）：1-12.2李根生，等：冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议第20卷 第1期录井，为地质勘探研究提供宝贵资料。由于振动冲击钻井技术可显著提高破岩效率，因而发展迅速，其使用范围逐渐拓展到矿山、地质勘探、石油钻井、地热钻井及工程勘察等热点领域。钻头的破岩方式多以切削、磨削和压碎为主，现有的冲击钻井技术主要以提高钻头破岩效率进行研发设计。随着钻井工程技术的不断进步，冲击钻井提速技术及井下关键冲击器的研制也进入快速发展阶段。按照目前井下冲击器辅助钻头破岩钻井的方式，相继发展了轴向冲击、扭力冲击和轴-扭耦合冲击三大类钻井提速技术。1.1 轴冲辅助钻头破岩提速技术轴向冲击钻井提速技术的研究由来已久。早在19世纪中期，轴向液动潜孔锤替代了原有的钻杆冲击钻破岩方式，成为早期的轴向振动冲击钻井方式，其技术原理见图1。1887年，Bushman19尝试将锤钻的冲击能施加到井底钻头处，通过利用压力泵供给的水能驱动轴向液动冲击器对钻头持续冲击，但试验效果较差，限制了该技术的进一步推广。20世纪初，Rafal Wolski20设计出了适用于石油钻井领域的液动冲击钻具，随后美、德、挪威等国家便开始了对该项技术的研究工作，自此轴向冲击辅助钻头破岩提速技术得以快速发展，轴向振动冲击器也在油气资源开发中取得了良好的应用效果。轴向冲击钻井提速技术是通过提高轴向冲击频率和能量实现钻速的提高。以NOV公司的Fluid Hammer提速工具21为代表，其通过将冲击器安装在破岩钻头和井下动力马达间，应用上、下凸轮的交变啮合产生的振动冲击力直接作用于底部钻头，提供“高速旋转+振动冲击”破岩的技术优势，进而发挥更大的提速效果，实现对深地高抗压强度岩石的高效破碎。国内围绕轴向冲击钻井提速技术也开展了深入研究。Fluid Hammer提速钻具的凸轮运动示意图见图2。2005年，中国地质科学院勘探技术研究所22对轴振冲击器开展攻关设计，形成YZX系列轴向冲击钻井提速配套工艺，提升了25%50%的钻头冲击破岩能量，解决了冲击器工作泵量与现场作业不匹配的技术难题。随后，李根生等23研发的水力脉冲空化射流冲击器、倪红坚等24研发的自激振荡冲击器等工具均在国内江苏油田25、塔河油田26、大港油田27等井场作业中取得较好的破岩提速效果。然而，这一类冲击器的动力高度依赖于钻井液压力脉冲，故工具产生的振动冲击力受钻井液排量以及工具尺寸影响较大，在特定的井眼尺寸条件下该技术无法产生更高级别的冲击效果，出现钻进受限等技术问题；同时，冲击工具内部流体运行轨迹复杂，受钻井液中固相含量以及地层砂等影响，冲击元件受钻井液冲蚀现象较为普遍。图1 轴向冲击钻井提速技术原理图18Fig.1 Schematic diagram of the axial percussive drilling technology图2 Fluid Hammer提速钻具的凸轮运动示意图28Fig.2 Schematic diagram of the cam motion of the Fluid Hammer3新疆石油天然气2024年1.2 扭冲辅助钻头破岩提速技术随着钻井技术的不断发展，聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC）钻头已成为油气勘探开发的主力钻具。在钻进过程中，由于PDC钻头自身结构和动力学特性，导致其在破岩过程中时常发生粘滑振动29，30，进而大幅降低了钻头的破岩效率。针对该技术难题，国内外研究学者提出了扭力冲击辅助钻头破岩钻井提速技术，即通过在钻进过程中给旋转的PDC钻头施加一个周向的连续高频的振动冲击载荷，实现PDC钻头非能量聚集条件下的瞬时剪切破岩。2000年，Ulterra公司31首先提出了扭力冲击钻井技术的构想，并成功研制出Torkbuster扭力冲击器。其基本原理是利用钻井液的流动能在工具内部形成周期性高低压腔，利用腔内压力差推动冲锤产生高频低幅的脉冲扭矩，进而将冲击扭矩传递给钻头，实现钻井液流压能与高频周向振动冲击能的转换，见图3。Torkbuster扭力冲击器工具设计结构简单，核心部件数量少，可靠性较高，已成为扭力冲击钻井的标志性技术之一。据统计，该技术广泛应用在北美、亚太、中东和非洲等油田现场，机械钻速可提高50%300%；近年来，在我国陆上和海上油田多区块已开展入井应用，结果显示扭力冲击器在深井硬岩地层中钻井提速效果显著，具备较强的适应性32。DocumenDtPressnDCl:es nDyPresan图3 Torkbuster核心冲击系统工作原理示意图Fig.3 Schematic diagram of the Torkbustertorsional impact systemWeatherford公司33研发设计了一款可激发更高转速的涡轮驱动型扭力冲击器。其基本原理是通过钻井液过滤分流驱动涡轮动力系统高速旋转，推动驱动装置冲击传动轴，进而在冲击系统内将稳态高速旋转转换为高频脉冲，并与稳态钻具扭矩共同作用于钻头，实现扭力冲击钻井。与液压式扭力冲击器相比较，涡轮式扭力冲击器结构更复杂，其井下工作时间易受涡轮寿命的制约，因此对钻井液性能提出较高要求。国内学者相继对扭力冲击关键发生机构进行了研究攻关，取得了一系列创新性成果。祝效华等34改进了自联合金刚石公司的RIDA（Rotation Impact Drill Assembly）冲击钻井工具35，利用螺杆马达进行动力驱动，将钻井液流动能转换为机械能，并通过传动轴带动冲击锤旋转与滑动冲击器产生周期性碰撞，进而将冲击载荷通过套筒传递给钻头开展扭力冲击钻进。周燕等36，37考虑涡轮、螺杆等液压动力元件的井下冲蚀问题，先后自主研制出了SLTIT型、SLTDIT型扭向振动冲击提速工具。该工具的冲击机构无涡轮、螺杆、叶轮等动力元件设计，可在钻井液流体压差作用下直接驱动内部冲击锤产生周向振动冲击。1.3 轴-扭耦合冲击辅助钻头破岩提速技术在轴向冲击钻井技术和扭力冲击钻井技术得到迅速发展和推广应用的同时，其技术弊端也随着勘探开发难度增大而愈加显著。轴冲辅助钻头破岩钻进过程易受径向尺寸条件等约束，导致钻头上施加的轴向冲击载荷强度不够，无法协助切削齿有效吃入地层，造成提速效果不理想；扭力冲击下的钻头在硬塑性地层（俗称“橡皮地层”）钻进时，由于PDC钻头切削齿无法有效吃入地层，从而无法产生有效进尺。因此，考虑发挥“轴+扭”冲击效果的耦合冲击破岩提速方法逐渐成为近年来业内学者研究领域的热点。2013年，Powell等38介绍了美国NOV公司研发的一款新型冲击钻井提速工具，并在工具内搭配了一种能量分配系统，该系统可同时在PDC钻头处施加轴向和扭向振动冲击载荷，从而大幅提高PDC钻头的破岩效率。该技术为轴-扭耦合冲击钻井提速技术的发展提供了技术思路。结合高效钻井技术发展趋势，国内柳贡慧等39提出了复合冲击辅助钻头破岩提速技术。其原理是通过液压驱动涡轮产生节流压降，带动换向器元件来控制周向和轴向冲锤的上行和下行过程，进而将流体的液压能转换为周向和轴向的振动冲击能，为底部钻头施加周期性的高频低幅冲击载荷和交变破岩扭矩，发挥轴向和扭向振动冲击相结合的技术优势。受该技4李根生，等：冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议第20卷 第1期术原理启发，查春青等40研制了一种具有防空打结构的复合冲击钻具，并成功在吐哈油田3 335 m的葡4-32井开展现场应用。应用结果表明，与邻井采用“螺杆+PDC钻头”复合钻井方式相比，使用复合冲击钻具后平均机械钻速提高了60.2%。穆总结等6在轴扭向冲击破岩机理深入研究的基础上，提出了轴-扭耦合冲击辅助钻头破岩钻井提速方法，并成功研制一种新型纯机械式轴-扭耦合冲击钻井提速工具，见图4。该工具主要由轴向冲击短节和扭向冲击短节组成。其通过钻井液驱动盘阀旋转，阀通孔分别与轴冲短节内腔上下液流通道相沟图4 轴-扭耦合冲击辅助钻头钻进技术示意图Fig.4 Schematic diagram of the axial-torsional coupled percussive drilling technology通，在中心节流喷嘴流压驱动下，液流驱动冲锤往复冲击砧座，形成轴向高能冲击。同时，随着钻井液流入至扭向冲击腔室，液压驱动腔室内转换阀和周向摆锤往复冲击，辅助钻头高效旋转切削破岩，减缓了钻头在井下的“粘滑效应”。区别于上述研究学者提出的方法，陈杰等41研制了“轴+扭”旋冲振荡式钻井提速工具。该工具是由同一个换向器控制流体通道的开启或关闭状态，因此可以产生频率相同的轴向和扭向振动冲击载荷，实现同频共振冲击破岩效果。目前，该工具已在LX-165直井开展现场试验，结果显示较邻井机械钻速提高了59.46%84.33%。刘书斌等42则将技术攻关的重点投入到轴向和扭向冲击载荷的分配问题上，成功研制出可实现不同地层提速效果的多维冲击器，见图5。该工具内部设计有自激振荡脉冲喷嘴结构，可将稳态流动的钻井液转化为具有压力振荡的脉冲射流，通过螺旋冲击传递杆将液流冲击转化为轴向和扭向振动冲击载荷，实现复合冲击破岩效果。虽然该工具呈现出较强的地层适应性，但是针对深井多复杂地层，所需不同型号冲击器的数目增多，加工成本也会随之增大。截至目前，国内外围绕轴-扭耦合冲击钻井技术局限性开展的攻关工作仍然较为缺乏，轴向和扭向冲击特征参数（频率、幅值）配合规律尚未形成系统的研究结论，该技术未能实现大规模的推广和应用。Document1-上接头；2-自激振荡脉冲喷嘴；3-固定套；4-螺旋冲击传递杆；5-下接头；6-PDC钻头图5 多维冲击器工具结构42Fig.5 Schematic diagram of the multi-dimensional impactor综上，钻井提速方法随着对深部复杂储层认识的不断加深而逐步发展，传统的旋转钻井已不再满足复杂结构井的提速要求，介质射流、热裂解、电脉冲等新型提速方法虽在高温硬岩中展现出良好破岩优势，但其应用空间限制较大，故以轴冲、扭冲、耦合冲击为主的冲击钻井提速方法成为技术关键。其中，轴-扭耦合冲击钻井技术旨在同时发挥轴振冲击破岩和扭振冲击破岩优势，具有如下技术特点：为钻头提供轴振冲击力，改善钻具与井壁摩擦状态，减缓钻头滑动钻进摩阻过大的问题，增大钻头切削齿吃入地层深度，提高钻头破岩效率；为钻头提供扭振冲击力，减缓或消除PDC钻头粘滑振动，延长钻头使用寿命；耦合双自由度下的轴振与扭振冲击载荷可加剧对强塑性岩石的力学损伤程度，大幅提高PDC钻头在难钻耐磨地层的破岩效率，提高机械钻速，更大范围地扩大工具适用性，有望为解决“两深一非”难钻储层的提速难题提供技术支撑。2 冲击辅助钻头破岩原理研究方法现状自上世纪50至60年代，国内外研究学者就开展了对冲击破岩原理的探索。Maurer43将岩石在冲击载荷作用下的破碎过程划分为五个阶段：岩石表面无5新疆石油天然气2024年规则性破碎；岩石冲击区内弹性小变形破坏；钻头下方形成压应力碎岩区；沿钻头齿切削轨迹产生切应力破坏；重复切削+冲击破坏形式，直至冲击能全部被利用。Chiang和Elias44通过考虑恒定的应力波传递速度，编制了一种可求解多固体相互作用问题的数值解算法，结合冲击力-钻进位移曲线揭示了冲击钻头与岩石间的非线性交互数学关系，进一步发展了冲击钻井理论。Franca和Weber45最早在实验室环境下开展了一项冲击锤破碎岩石钻进的测试实验。基于前人的研究基础，进一步定义总结冲击钻井的基本过程为18：钻头在振动冲击力作用下吃入地层；岩石受到钻头的振动冲击激励，内部结构发生应力传播；冲击力达到岩石结构强度，发生破碎和崩解；破碎岩屑上返至环空。实践经验表明，厘清冲击辅助钻头破岩的力学原理是钻井提速技术研发及现场应用的关键。目前，学者们围绕振动冲击破岩原理主要聚焦三个方面的研究工作：冲击辅助钻头破岩实验测试；冲击辅助钻头破岩理论分析；冲击辅助钻头破岩数值模拟。2.1 冲击辅助钻头破岩实验测试采用物理实验观测钻头破岩表现是目前证实冲击钻井提速技术可行性最直接的研究手段。左宇军等46基于突变理论模型，开展一维冲击加载岩石系统的失稳破坏实验，发现冲击动载荷振幅和频率存在一个数量关系，可引起加载岩石系统振幅的突跳，从而引发岩样的失稳破坏。Han等18在实验室中捕捉了冲击钻井过程中硬质合金钻头齿侵入岩石并对其造成动态破碎扩展的全过程，划分为6个阶段，见图6。Niu47从应力波理论角度出发，通过分析圆柱形压头冲击破碎岩石的断裂过程，证明了振动冲击钻井效率取决于冲击频率、压头质量、钻柱的材料特性和岩石物性等因素。该项实验还将Han等18捕捉到的压头冲击破岩的6个阶段进一步概括为3个过程：高应力接触破碎区域；破碎接触区弹性恢复，大量岩块由于裂纹扩展产生剥落；应力波发生传播，岩石受裂缝扩展影响发生体积破碎。这为充分认识轴向冲击破岩力学原理提供了可靠的理论依据。在扭力冲击破岩原理的探索方面，李思琪等48利用冲击+钻压组合加载下的机械破岩实验系统开展了实验研究，进行了扭转冲击和静压冲击破碎不同砂岩岩样的对比分析。研究发现，脉冲扭矩和钻压同时作用于PDC钻头的切削、摩擦过程可明显减缓钻头的“粘滑效应”；通过对红/黄砂岩进行对比分析实验，证明在钻进相同深度的实验岩样条件下，扭力冲击可实现较好的提速效果。（a）弹性变形阶段；（b）裂纹源产生阶段；（c）粉碎区（密实核）产生阶段；（d）密实核压缩储能阶段；（e）径向裂纹和粉碎劈裂阶段；（f）破碎坑形成阶段图6 冲击载荷下岩石动态破碎演化过程18Fig.6 Rock breaking process under percussion loads轴-扭耦合冲击载荷下的破岩原理更为复杂，钻头在该种提速方法下的破岩模式包含了扭力冲击和轴向冲击的特点。其涉及到的钻进破岩参数可划分为四大类：动态冲击参数（轴向冲击幅值/频率/波形、扭向冲击幅值/频率/波形）；静态钻进参数（钻头转速、钻压、钻井液排量等）；岩石力学参数（岩性参数、温度、围压等）；工具结构参数（PDC布齿倾角、齿形等）。轴-扭耦合冲击破岩效果影响参数的多样性加大了最优钻井速度的获取难度。Liu等49研制了一种轴-扭耦合冲击辅助钻头齿切削破岩实验装置，探究了轴扭向冲击力合成角度、冲击幅值和频率对钻头破岩效果的影响规律。实验结果表明，增大轴向和扭向的冲击幅值、降低冲击频率可大幅提高PDC钻头的破岩效率，且当冲击力合成角度保持在4060范围内时，钻头破岩可获得较低的破岩比能。Mu等50开展了轴-扭耦合冲击破碎花岗岩室内实验研究，结合傅里叶变换（FFT）和短时傅里叶变换（STFT）信号处理分析方法，论证了不同冲击方式下的轴-扭耦合冲击响应信号的频谱特性。实验得出的轴向和轴-扭耦合振动对破岩进尺和钻速的影响对比见图7。对比轴向和轴-扭耦合振动冲击破岩效果可知，轴-扭耦合振动冲击可产生高频高幅的转速以及较小的破岩扭矩，在驱动钻头高频旋转的同时，可缓解钻头切削载荷的集聚，减缓“粘滑效应”的发生。在提速性能方面，轴-扭耦合振动冲击破岩进尺大、机械钻速快，相较于轴向振动冲击，钻头进尺提高173.38%，机械钻速提高182.74%，充分证明了轴-扭耦合冲击钻井方法应用于深部硬岩提速的可行性。6李根生，等：冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议第20卷 第1期图7 不同冲击破岩方法下的破岩进尺和钻速对比50Fig.7 Comparison curves of penetration depths and drilling rates of different percussion rock-breaking methods 2.2 冲击辅助钻头破岩理论分析振动冲击动力学理论模型的建立是攻关研发冲击破岩钻井关键技术设备的基础，也是钻井提速理论的研究热点之一。伴随着实践经验的积累和对冲击破岩实验现象的深入探索，围绕振动冲击动力学的理论研究也取得了一定的进展，国内外研究学者在探究室内破岩现象并总结规律的基础上，针对不同的振动冲击钻井技术建立了可靠的理论模型。在轴向冲击破岩理论研究方面，Pavlovskaia等51对室内振动冲击实验系统进行了二维结构分析，构建了一个基于该实验系统设定参数的三自由度振动冲击动力学模型和一个二维简化数理模型，并定量分析了施加静载荷、冲击载荷振幅及频率对破岩效率的影响规律。研究结果表明，振动冲击产生的响应载荷呈现显著的周期性特征，当冲击载荷频率与响应频率相等且静载荷幅值小于冲击载荷幅值时，可获得最佳的岩石破碎效果。Chiang52提出了一种基于脉冲动量原理获得动态冲击力-破岩侵深曲线的计算方法，通过便携式实验装置和传感器记录了锤体冲击破岩的应变响应信号，在此基础上建立了振动冲击应力波传递模型和锤体-岩石交互动力学模型。理论研究发现岩石应变曲线形状与锤体的冲击速度和冲击力-侵深曲线的斜率具有相关性。葛涛等53创新性地将岩石抽象为“颗粒团”组成的内摩擦比较大的流体，基于该想法建立了预测冲击载荷下的岩石破碎动力学响应模型，对岩石受到轴向冲击后的应力、应变状态进行了探讨分析。Wiercigroch等54提出了一种从高频低幅到低频高幅振动冲击能量传递的新方法，并建立求解了二频率组合调制的轴向振动冲击钻井动力学模型。研究发现冲击破岩效率在很大程度上与钻柱系统的非线性振动强度具有相关性，组合频率的调制可降低钻柱由于谐波响应产生的振动能量传递。该模型计算分析结果可为冲击钻井过程中的钻头平稳高效作业提供理论指导。相较于轴向冲击破岩理论的研究，国内外关于扭力冲击和轴-扭耦合冲击过程中的破岩原理的研究较为缺乏。毛良杰等55编制了四阶-五阶Runge-Kutta算法，用以计算求解扭力冲击器对钻柱粘滑振动的影响，发现扭向冲击幅值和频率的增大对削弱钻头的粘滑振动具有积极效果，见图8。汪伟等56完成了对“轴+扭”复合冲击钻井工具的结构设计及运动学特性分析，建立了适配的冲锤和摆锤的运动-水力学模型。研究结果表明，冲击功和冲击频率均随排量增加而增大，且轴向冲击频率高于周向冲击频率。复合冲击钻井工具的冲锤和摆锤运动过程总共可分为三个非线性变化阶段：冲锤沿轴向作加速度减小的变加速运动；冲锤与外壳体碰撞，摆锤和换向器同时沿扭向作角加速度不断减小的变加速运动；摆锤与冲击筒发生碰撞，换向器单独做变加速运动直至冲锤、摆锤的高低压流道完成换向。该模型的建立为提速工具的结构优化设计及预测入井试验效果提供了理论依据。2.3 冲击辅助钻头破岩数值模拟随着数值模拟技术的发展，人们越来越注重应用数值模拟方法来解决实际工程问题。现有的冲击辅助钻头破岩数值模拟多是基于瞬态动力学和显示动力学分析方法，基本围绕冲击钻井方法下的岩石内部应力响应特征及损伤演化规律开展研究。7新疆石油天然气2024年图8 扭转振动动力学理论模型55Fig.8 Theoretical model of torsional vibration dynamicsAkbari等57通过分析室内旋冲破岩测试参数，采用PFC离散元软件建立了符合岩石微观特性的离散元模型。研究结果表明，振动辅助钻井可显著提高机械钻速，在考虑振动载荷的条件下机械钻速与井底压力的对数呈反比；若不考虑振动载荷，机械钻速与井底压力呈线性关系，其随着井底压力的增大而降低。朱海燕等58考虑了静压、单轴冲击和旋转的耦合效应，构建了考虑全尺寸钻头-钻头齿-岩石交互作用的三维冲击动力学仿真模型。通过有限元方法求解分析得到了旋冲作用下岩石破碎的5个阶段：岩石弹性变形阶段；岩石塑性变形阶段；岩石失稳与破碎阶段；拉伸破碎阶段；拉伸和剪切复合破碎阶段。其中，拉应力破碎是岩石破碎的主要形式，剪切应力、压应力破碎为次要破坏形式。景英华等59模拟了在自激振荡冲击器作用下的PDC单齿在钻井工况下岩石动态破碎过程，发现钻头转速、冲击力、冲击频率的增加有利于吃入地层深度的加大，提高破岩效率。Li等60采用结构显示动力分析法（Explicit Dynamics）完成对“轴+扭”复合冲击钻井PDC单齿-岩石相互作用的动态模拟，分析了复合冲击破岩过程中轴扭向冲击频率配合、钻压等参数对破岩效果的影响。模拟结果表明，岩石单元内的拉/压应力呈现交替分布特征；在保持相同的冲击实验条件下，轴扭冲击频率配合比为1：2时，岩石破碎效率最高。该文章首次通过数值模拟的方式完成了轴扭向冲击频率配合的研究，为“轴+扭”复合冲击钻井提速技术的发展和新型钻井提速工具的设计研发提供了重要的理论依据。Wang等61，62使用连续-离散耦合数值计算方法，在有限元模型基础上，应用嵌入Cohesive单元模拟了轴-扭耦合冲击作用下常温岩石的动态断裂过程，研究了冲击力持续时间和冲击频次对岩石开裂效果的影响，见图9。模拟结果表明，齿周岩石破坏规模与冲击振幅、频次呈正相关性，而当冲击力持续时间保持在2.5 ms时，岩石可以获得最佳的破裂效果。基于该机理认识指导研制了一种新型涡轮式驱动型冲击钻具，并成功应用于国内宜205井3 400 m硬页岩层现场试验，机械钻速平均提高1.05倍。该成果对于模拟冲击钻井过程中岩石动态开裂提供了一种新思路。3 冲击破岩钻井提速技术发展建议国内油气井工程行业目前发展了轴向冲击、扭力冲击和轴-扭耦合冲击辅助钻头高效破岩的钻井提速技术，冲击器的应用效果在井场得到了良好的反馈，学者们针对相关技术下的破岩原理的认识也趋于完备。然而，面向我国深井超深井、超长水平井、海相/陆相大位移井等复杂结构井，针对深部砂砾岩、碳酸盐岩、花岗岩等硬质耐磨储层环境，钻井提速仍然没有达到最优的作业上限。应鼓励聚焦以轴-扭耦合冲击等为代表的多元复合型冲击钻井提速方法，提高振动冲击钻井的效率、安全性和可靠性，促进油气井高8李根生，等：冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议第20卷 第1期效钻井作业。建议在以下方面开展技术攻关。振动冲击器的优化设计。振动冲击器是冲击钻井的核心装置，其设计水平对钻井效率和稳定性具有重要影响。未来的发展趋势是通过优化振动冲击器的结构和动力系统，提高其工作效率和稳定性。如，采用新型材料制造振动冲击器来提高其耐磨性、耐用性及耐高温性；优化振动冲击器的动力系统，提高其能量转换效率和工作频率范围，保障工具在实现优快钻进的同时获得较低的破岩能耗。振动冲击钻井过程的智能化控制。随着自动化技术的不断进步，振动冲击钻井过程将趋向自动化和智能化。通过引入传感器、数据采集和分析系统，实现对振动冲击钻井过程的实时监测和控制，提高钻井效率和安全性。如，通过实时监测振动冲击器的振动参数和钻井参数，自动调整工具的冲击动载参数与工程静载参数的匹配，以达到最佳破岩钻进效果。冲击钻井技术与其他钻井技术的融合。振动冲击钻井技术应与其它井下钻井技术相结合，形成一种综合化、全面化的提速钻井技术体系。如，冲击钻井技术与振动减阻技术相结合实现“减阻提速+破岩提速”一体化作业。井下振动减阻原理与冲击破岩原理相似，多通过碟簧、液压等机构实现降摩减阻功能，通过结合冲击破岩方法，在保障管柱降阻钻进同时，实现钻头高效破岩。振动冲击钻井技术的工程应用优化。通过对地质条件、井眼稳定性等因素的分析和预测，合理选择振动冲击钻井参数和工艺，提高钻井效率和井眼质量。此外，还可以通过优化井下测量和监测系统，实时监测钻井过程中的振动和井眼状态，及时调整钻进参数，避免钻井事故和井眼塌陷等问题的发生。4 结论1）相较于新型非接触式破岩方法，接触式的振动冲击辅助钻头破岩方法仍然是目前适用于油田现场最有效的钻井提速手段，大力开展和推广这一技术的攻关工作有望攻克当下我国深地高温高压硬岩地层进尺低、提速难的技术痛点。2）轴-扭耦合冲击钻井技术可同时发挥轴向冲击和扭力冲击的破岩优势，弥补相互的技术局限，但目前国内外学者围绕该技术的攻关工作较为缺乏，轴向和扭向冲击特征参数（频率、幅值等）配合规律尚未形成系统的研究结论，建议增强技术攻关的推进力度。3）冲击破岩钻井提速技术的关键是厘清冲击辅助钻头破岩的